工业机械手-物流分拣机械手安全防护升级系统的设计与研究

作者：黄启明 房华 喻树洪

1.工业机械手应用

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，拥有较好的作业的准确性和各种环境下完成作业的能力。在国民经济各领域有着广阔的发展前景。工业机械手在我国烟草行业的应用出现在90年代中期，主要应用于烟草物流系统，执行卷烟成品的码垛工作。另外，工业机械手在烟草领域应用过程中，因其体
积大、速度快、动作复杂而频繁，使得机械手生产区域被划分成高危作业区域，其安全性显得尤为重要。

2 原有的机械手安全防护系统

新型的件烟分拣入库系统为长沙卷烟厂十五技改期间首次引进的设备，该套系统可以对不同装箱机的件烟进行分拣和码垛，整个系统运行速度快、效率高，这就对作为分拣系统的重要组成部分的机械手系统提出了更高的要求。然而，原有的机械手防护系统是以简单的物理隔离方式来实现安全防护功能，存在灵活性差、效率低以及具有防护盲区等缺点，图1为原有机械手安全防护系统俯视图。

由图可看出，原有机械手安全防护系统的不足归纳起来有以下几点：
（1）安全防护系统存在盲区，操作或维修人员有不触发安全防护系统、机械手不停机的情况下进入机械手区域，造成人身伤害的风险；
（2）操作工工作站台远离机械手区域的入口，操作或维修人员需要经过天桥才能进入该区域，不利于紧急异常情况的处理，工作效率低；
（3）操作或维修人员在操作区域工作时，需要经过托盘输送系统，有碰撞托盘造成物品损坏及人身伤害的风险；
（4）整个安全回路系统缺乏声、光、标识等辅助警示装置，不利于系统的使用与维护。那么针对上述缺陷，本文对原有机械手安全防护系统进行改进，设计了一个基于新型的件烟分拣系统的机械手安全防护升级系统，来弥补上述的缺陷。

3 基于新型的件烟分拣系统的机械手安全防护升级系统

      图2为改进后的机械手安全防护升级系统的全局俯视图，由图可知，该升级系统增加了三个安全防护门、五个安全通道和新型的检测装置，又提供了声光报警及操作装置，可完全改变原有安全防护系统的操作方式，弥补机械手工作区域的安全盲区。该套系统根据功能和作用的不同大致可分为以下五个部分。

（1）安全防护装置

安全防护装置主要由安全防护门、安全光栅、开启和复位安全防护系统的操作装置以及安全通道组成。

该安全门既能锁死安全防护门起到防护作用，又能串入安全回路系统和主控器，与操作装置一起对安全门进行控制和预警，进一步提高了安全防护门的防护能力。
本系统共使用四组光栅，两组用于托盘进出机械手区域防护栏未保护区域，弥补防护栏的防护盲区，两组用于人工经过托盘输送系统区域的安全通道。
开启和复位安全防护系统的操作装置和安全通道是作为整个安全防护装置的辅助装置，为操作或维修人员提供操作可能。安全通道是托盘输送系统区域内安装并专用于进入机械手区域的通道，主要为一些踏板装置。

（2）警报预警装置

警报预警装置包括声光报警装置和安全警示标识。声光报警装置由三个具有声光报警功能的显示灯柱组成，为操作人员提供警报和预警。安
全警示标识包括禁止标志、警告标志、指令标志和警示用语，按照国家标识警示类标准制定。

（3）安全回路系统

安全回路系统是一个把原有机械手系统与托盘输送系统的安全回路连接在一起的硬件回路系统。电缆把各防护设备以串接和回路的形式连接起来，并与原有设备连接在一起，一旦出现异常则断开回路，系统将报警而停机。

（4）安全防护控制程序

安全防护控制程序包括原有控制程序的基础上，针对安全防护升级系统需实现的功能所设计的控制程序。其主要功能是为整个安全防护系统提供软件保障，程序设计需紧凑而合理。

（5）安全操作规程

安全操作规程由开机上电步骤、自动运行操作步骤、手动运行操作步骤、关机操作步骤以及异常问题处理步骤五部分组成。

4 机械手安全防护升级系统的设计实现

       新型的机械手安全防护升级系统是以安全回路系统为主线，把新增的安全防护装置与原有系统连接在一起，采用多种方式（设备急停、停止、报警等）对原有系统的安全防护能力进行优化。

4.1 硬件的设计实现

主要从以下几个方面进行硬件的设计实现：
（1）3台机械手正面靠近辊道输
送机部位的防护栏中分别安装一个安全防护门，该安全防护门带有通讯功能，通过一个电磁开关锁（含联锁检测和插销锁）来实现，并于机械手区域的防护栏上粘贴禁止标志、警告标志；
（2）安全光栅采用SICK公司生
产的光幕产品，该产品具有很强的信号发射和接受能力，在恶劣的工业条件亦可可靠运行。
（3）托盘输送系统内，进入机械手安全门之前规定为行走路线的托盘输送机上安装踏板装置，铺设防滑板。另外，安装通道光栅监控装置，对人员行走过程进行监控，并粘贴指令标志和禁止标志；
（4）安装光栅监控装置于托盘进出机械手区域防护栏未保护区域，对异常通过该区域的人员进行监控与报警，弥补防护栏的防护盲区；
（5）机械手电柜处（操作区域）安装停车按钮和复位按钮操作盒、红色状态指示灯以及蜂鸣器；
（6）将新加装的安全防护门的安全检测开关、各光栅装置串入机械手和托盘输送系统安全回路，出现异常后对双方系统均进行控制，把伤害减少至最小，如图3；

（7）托盘输送系统主控器中编制控制程序，并安装控制继电器。

4.2 软件的设计实现

图4、图5为本文所设计的机械手安全防护升级系统的程序流程图，由图可看出，整个程序设计紧凑而有效，设计中主要考虑了安全功能的实现，包括出现异常后，托盘输送系统与机械手系统之间的联动性，人员对系统进行使用的可操作性等。

5 结语

本文利用安全回路控制方式构建了一个件烟分拣机械手安全防护控制平台，通过引入新型的安全检测、预警装置，使得难以防护的安全盲区的安全防护得以实现，并对整个安全系统的控制流程和方式进行规划和设计，制定相关安全操作规程，并辅以重要区域的安全防护标识。该升级系统已在湖南中烟工业有限责任公司长沙卷烟厂物流系统中得到应用，实践证明，该系统稳定而高效，避免了防护盲区，极大提高了整个系统的防护保障能力。

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